氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料概述

1、概述了氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料，并且對(duì)其一般的生產(chǎn)工藝金屬間、氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料以及其應(yīng)用領(lǐng)域作了介紹，前言氧化鋁(A12O3)陶瓷材料具有耐高溫、硬度大、強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣、氣密性好 等優(yōu)良性能，是目前氧化物陶瓷中用途最廣、產(chǎn)量最大的陶瓷新材料。但是與其他陶瓷材料 一樣，該陶瓷具有脆性這一固有的致命弱點(diǎn)，使得目前A12O3陶瓷材料的使用范圍及其壽命受到了相當(dāng)大的限制。近年來(lái)，在氧化鋁陶瓷中引入金屬鋁塑性相的A1/A12O3陶瓷基復(fù)合材料是一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域。概述 金屬間化合物的結(jié)構(gòu)與組成它的兩組元不同，具有序的超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，各組元原子占據(jù)點(diǎn)陣的固定位置，最大程度地形成異類原子之間結(jié)合。由

2、于其原子的長(zhǎng)程有序排列以及金屬鍵和共價(jià)健的共存性，有可能同時(shí)兼顧金屬的較好塑性和陶瓷的高溫強(qiáng)度。在力學(xué)性能上，有序金屬間化合物填補(bǔ)了陶瓷和金屬之間的材料空白區(qū)域。有序金屬間化合物中，Ti - Al、Ni - A1、Fe - A1和Nb-A1系等幾個(gè)系列的多種鋁化物更是特別受到重視。這些鋁化物具有優(yōu)異的抗氧化性、抗硫化腐蝕性和較高的高溫強(qiáng)度，密度較小，比強(qiáng)度較高。由于在空氣中鋁粉極易氧化而在表面形成A12O3鈍化膜，使A1粉和A12O3顆粒之間表現(xiàn)出很差的潤(rùn)濕性，導(dǎo)致燒結(jié)法制備A1/A12O3陶瓷材料燒結(jié)困難，影響復(fù)合材料的機(jī)械性 能5。擠壓鑄造和氣壓浸漬工藝浸漬速度快，但是預(yù)制體中的細(xì)小空隙很

3、難進(jìn)一步填充6，而后發(fā)展的無(wú)壓滲透工藝操作復(fù)雜，助滲劑的選擇隨意，且作用機(jī)理復(fù)雜，反而增加了工藝控制難度7。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)Lanxide公司提出了一種制備陶瓷基復(fù)合材料的新工 藝定向金屬氧化技術(shù)(DirectedMeta1 Ox-idation，簡(jiǎn)稱DMOX)。該工藝是在高溫下利用一定 阻生劑限制金屬熔體在其他5個(gè)方向的生長(zhǎng)，使金屬熔體與氧化劑反應(yīng)并只單向生長(zhǎng)即定向氧化。采用該方法制備的A1/ A12O3陶瓷材料在顯微結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為由立體連通的-A12O3基體與三維網(wǎng)狀連通的殘余金屬和不連續(xù)的金屬組成，由于A12O3晶間純凈，骨架強(qiáng)度高于燒結(jié)、浸漬等工藝制得的同類材料的強(qiáng)度9同時(shí)，三維

4、連通的金屬鋁具有良好的塑性，從而使該復(fù)合材料具有更為良好的綜合機(jī)械性能。表1幾種鋁化物的特性名稱林點(diǎn)密度(x lOjkgm3)晶體結(jié)構(gòu)楊氏模晝(M N-nrkg-NfAl1395T5LL45NiAl16385. 9B235TAl16004 2DO 餌50TiAl14601 9叫24腿 Al154067D()327FeAl1250, 14005. 6B247新型陶瓷基復(fù)合材料采用熔滲燒結(jié)工藝與粉末治金燒結(jié)工藝兩種方案4。燒結(jié)與熔鑄相結(jié)合制備工藝：氧化鋁選用粒度為1 2Lm粉體，金屬間鋁化合物使用鑄態(tài)切 塊。燒結(jié)分兩個(gè)階段，第一階段保溫主要是為了促使氧化鋁燒結(jié)成泡沫狀多孔材料，此時(shí)鋁化物處于臨界熔

5、化狀態(tài)；第二階段保溫主要是保證鋁化物快速熔化，并有好的流動(dòng)性，以便熔入多孔氧化鋁內(nèi)。使用石墨壓塊，利用其重力促進(jìn)熔滲過(guò)程。燒結(jié)選用多種不同溫度的工藝，以便比較不同溫度的熔滲效果。粉末治金工藝：采用機(jī)械合金化工藝，首先合成鋁化物粉體，在球磨機(jī)中將鋁化物粉末與氧 化鋁混合，然后熱壓燒結(jié)。采用機(jī)械合金化工藝可以合成鋁化物，但是固相合成反應(yīng)不充分，結(jié)合燧燒工藝，則可制備出性能穩(wěn)定的鋁化物。燧燒溫度不宜太高，太高不僅會(huì)造成粉末氧化 和晶粒粗大，而且會(huì)導(dǎo)致粉末的嚴(yán)重團(tuán)聚。燃燒有成（ci）rnbisiiun synthesis 簡(jiǎn)環(huán)CS）又稱為 fl 應(yīng)延燃燒fT成,是-忡刊用化學(xué)反應(yīng)的自身放爵使反庵持技瓏

6、行的合成方浴該方法的歷史可以坦溯到 前蘇聯(lián) 科 學(xué)家 對(duì)火 箭因 體椎 進(jìn)劑 燃燒問(wèn) 題的探討 .早在1967年，Mcrzhmov和Rortjvinskaya在研究1VB混合粉坯時(shí)就發(fā)現(xiàn)自星延燃燒現(xiàn)象,并提出自蔓 告成 selfpropagaiJUShigh lemperamre symti雨s, RffisSHS）的楙念l（W|SHS最大的特點(diǎn)是合成反宜的自發(fā)塊和自維持*在位做過(guò)程中不需要外部能海供給fm,usls采用SHS工藝可以,成陶旋材料、金廚基與陶澆基艮合材料、金屆間化 合物.梯度村科、高溫超尋等高技術(shù)蜻枸材料與功能材料如洲，此項(xiàng)新的合成 技術(shù)一朗現(xiàn)就受到各國(guó)的重視并列入各國(guó)高技術(shù)材

7、料發(fā)展的規(guī)劃中,金屬間化合物/ AI2O3陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展111 Ni Al系金屬間化合物/ AI2O3陶瓷基復(fù)合材料Ni Al系金屬間化合物主要有5種穩(wěn)定的二元化合物，即Ni3AI、NiAl、Ni5AI3、Ni2AI3和NiAI3 1。目前，N-i AI系金屬間化合物中研究最多的是Ni3AI。Ni3AI晶體特有的對(duì)稱性和Ni- AI鍵與Ni- Ni鍵的相似性使得鍵在空間呈均勻分布，這種特點(diǎn)使Ni3AI表現(xiàn)為具有良好的強(qiáng)度，也正是因?yàn)镹i-Ni鍵與Ni- AI鍵的相似性，在外力作用下原子層發(fā)生滑移而保持良 好的強(qiáng)度和成鍵持續(xù)性，使Ni3AI具有良好的韌性2。因此，Ni3AI在陶瓷中可以

8、起到很好 的增韌效果。在Ni3AI增韌AI2O3陶瓷基復(fù)合材料的研究中，通過(guò)熱壓燒結(jié)得到了高韌性的Ni3AI/ AI2O3陶瓷基復(fù)合材料。分析認(rèn)為，Ni3AI中Ni- Ni鍵與Ni- AI鍵的相似性和均勻性以 及Ni3AI的合金化、晶粒的拔出現(xiàn)象和裂紋的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)是N-i AI/ AI2O3陶瓷基復(fù)合材料韌性提高的重要原因。以NiAI為彌散相在1600e下真空燒結(jié)制備的NiAI/ AI2O3復(fù)相陶瓷材料，當(dāng)NiAI含量約為20%時(shí)，其斷裂韌度為812MPa#m1/ 2，比純AI2O3陶瓷（Kic= 4.84MPa#m1/2）的斷裂韌度提高了68%。顯微結(jié)構(gòu)分析表明，晶粒細(xì)化、裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋搭橋、

9、拔出和裂 紋擴(kuò)展方式的改變是NiAI/AI2O3復(fù)相陶瓷材料韌提高的主要因素。在應(yīng)用方面，由于NiAI與AI2O3有較好的適配性能，因此是金屬基體與AI2O3涂層的理想材料。而利用等離子噴涂方法制備了NiA-IAI2O3梯度涂層可以得出：當(dāng)AI2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)涂層的顯微硬 度最高，涂層成分的梯度化有利于涂層的結(jié)合強(qiáng)度和抗熱震性能的提高。Si -Mo及其他金屬間化合物/A12O3陶瓷基復(fù)合材料211 Si -Mo金屬間化合物/A12O3陶瓷基復(fù)合材料S-i Mo金屬間化合物包括MoSi2、Mo5Si3和Mo3Si。由于S-i Mo金屬間化合物在BDT溫度（脆性轉(zhuǎn)化為韌性的溫度）以上是一

10、種韌相，它們可以對(duì)脆性陶瓷產(chǎn)生韌化作用。MoSi2在幾乎所有的結(jié)構(gòu)陶瓷中（如：SiG Si3N4、ZrO2、AI2O3、TiB2、TiC等）是熱力學(xué)穩(wěn)定的，同時(shí)A12O3與MoSi2的熱膨脹系數(shù)十分相近，在MoSi2增強(qiáng)A12O3基復(fù)合材料中，不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。作為其極為重要的應(yīng)用方面，Anne-LaureDumont等人結(jié)合流延積層，利用SHS燒結(jié)工藝成功地制備了MoSi2/A12O3功能梯度電阻材料。當(dāng)MoSi2的含量從20%增加到40%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，材料的室溫電阻率也從1.5*10A8歐cm減小到0,38歐cm。并指出，在SHS過(guò)程中當(dāng)各層的厚度大于500um、加壓3MPa時(shí)，就可以

11、明顯地減少材料的孔隙率，通過(guò)控制在SHS反應(yīng)中形成的液相數(shù)量（反應(yīng) 生成物A12O3和MoSi2均有稀釋燃燒反應(yīng)的作用）來(lái)實(shí)現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)每層中液相的數(shù)量 大于35%（體積分?jǐn)?shù)）時(shí)，就可以制備出鋁含量從21%到81%（體積分?jǐn)?shù)）的梯度復(fù)合材料。212其他金屬間化合物/ A12O3陶瓷基復(fù)合材料為了解決一些實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題，許多學(xué)者在其他金屬間化合物A12O3陶瓷復(fù)合材料方面也做了一些研究。 程廣萍等15采用自蔓延-離心工藝制備出Fe2Ti金屬間化合物/ A12O3陶 瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管。對(duì)內(nèi)襯的顯微組織及物相組成進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，內(nèi)襯主要由大小不均的顆粒狀或團(tuán)聚狀金屬間化合物Fe2Tk規(guī)則塊狀A(yù)

12、12O3陶瓷以及一定數(shù)量的自蔓延反應(yīng)不完全產(chǎn)物Ti3O5構(gòu)成。襯層內(nèi)壁有一以A12O3、FeO#A12O3為主的陶瓷薄層。 與相同工藝 制備的A12O3陶瓷內(nèi)襯相比，它在保持較高硬度的同時(shí)具備了一定的韌性。張春光等16通過(guò)金屬間化合物N-i Ti焊料，利用部分液相瞬間連接工藝，實(shí)現(xiàn)了高純A12O3瓷和可伐合 金的氣密性連接。研究表明，N-i Ti焊料會(huì)在焊縫中間形成一條Ti固熔體帶，起到柔性緩沖層的作用；連接強(qiáng)度隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸提高，到達(dá)一定程度后減緩；連接強(qiáng)度并不隨著焊接溫度的上升而單調(diào)上升，接頭性能隨溫度的上升波動(dòng)較大，焊接適用溫度范圍比較窄2應(yīng)用 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及制造技術(shù)的提高

13、 到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。1）機(jī)械方面。有耐磨氧化鋁陶瓷襯磚、 瓷球閥），黑色氧化鋁陶瓷切削刀具（有圖）2）電子、電力方面。有各種氧化鋁陶瓷底板、基片、陶瓷膜、高壓鈉燈透明氧化鋁陶瓷以及各種氧化鋁陶瓷電絕緣瓷件，電子材料，磁性材料等。3）化工方面。有氧化鋁陶瓷化工填料球，氧化鋁陶瓷微濾膜，氧化鋁陶瓷耐腐蝕涂層等。4）醫(yī)學(xué)方面。有氧化鋁陶瓷人工骨，羥基磷灰石涂層多晶氧化鋁陶瓷人工牙齒、人工關(guān)節(jié) 等。5）建筑衛(wèi)生陶瓷方面。球磨機(jī)用氧化鋁陶瓷襯磚、微晶耐磨氧化鋁球石的應(yīng)用已十分普及氧化鋁陶瓷輾棒、氧化鋁陶瓷保護(hù)管及各種氧化鋁質(zhì)、氧化鋁結(jié)合其他材質(zhì)耐火材料的應(yīng)用隨處可見。6）其他方面。各種復(fù)合、改性的氧化

14、鋁陶瓷如碳纖維增強(qiáng)氧化鋁陶瓷，氧化錯(cuò)增強(qiáng)氧化鋁陶瓷等各種增韌氧化鋁陶瓷越來(lái)越多地應(yīng)用于高科技領(lǐng)域；氧化鋁陶瓷磨料、高級(jí)拋光膏在機(jī)械、珠寶加工行業(yè)起到越來(lái)越重要的作用；此外氧化鋁陶瓷研磨介質(zhì)在涂料、油漆、化妝品、食品、制藥等行業(yè)的原材料粉磨和加工方面應(yīng)用也越來(lái)越廣泛,氧化鋁陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中得襯板、襯片，氧化鋁陶瓷釘，陶瓷密封件（氧化鋁陶 紅色氧化鋁陶瓷柱塞等。表 2各種陶瓷刀具材料的性能比較產(chǎn)地主要成分抗彎的夏/ M PmHRAK筆/ M Pa* m1/2德國(guó)Al23500954 5 4 5AI2O3+ TiC60094- 964 5 4 5美國(guó)60094U 7日本Am5 7)094. 54 0 4 &90092. 56.0美國(guó)Si?N4+ TiC75093. 54. 3Si3N481092. 64 5 6 0中國(guó)A1J)3+ TiC*5()92944. S本材料FAXUA12()370085091 947.8. 35何柏林，熊光耀，繆燕平，金屬間化合物/ A12O3陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展，粉末冶金工 業(yè)POWDERMETALLURGYINDUSTRY18卷第3期2008年6月金勝利，李亞偉，定向金屬氧化法制備A1/A12O3陶瓷基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀，材料導(dǎo)報(bào)，2006年6月第20卷第6期張孟杰范潤(rùn)華，新型氧化鋁陶瓷基復(fù)合材料